一種基于斜波調(diào)制的光纖甲烷氣體濃度檢測方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及氣體濃度檢測技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于斜波調(diào)制的光纖甲烷氣體 濃度檢測方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 氣體濃度檢測方法有電化學(xué)法、電氣法、氣相色譜法和光學(xué)法等。電化學(xué)法利用電 化學(xué)方法，使用電極與電解液對氣體進(jìn)行檢測；電氣法利用半導(dǎo)體氣體敏感器件進(jìn)行檢測； 氣相色譜法是一種物理分離分析技術(shù)，用吸附劑使物質(zhì)成分按吸附能力的強弱層析在色譜 上，是一種實驗室方法；光學(xué)法是利用氣體的光折射率或者光譜吸收特性檢測氣體。
[0003] 光纖甲烷氣體濃度檢測方法是一種基于光譜吸收的光學(xué)方法，通過測量甲烷氣體 透射或反射光強的變化得到甲烷氣體濃度。每種氣體分子都有自己的吸收譜線，光源發(fā)出 的光信號只有在與被測氣體吸收譜線重疊的部分才產(chǎn)生吸收效應(yīng)，吸收后的光信號強度發(fā) 生衰減。
[0004] 當(dāng)一束光強為^的平行光通過含有甲烷氣體的氣室時，如果光信號覆蓋甲烷氣體 的吸收譜線，則透射或反射光強發(fā)生衰減。根據(jù)比爾-朗伯（Beer-Lambert)定律，輸出光 強I(A)與輸入光強ItlU)、氣體濃度C之間的關(guān)系為：
【主權(quán)項】
1. 一種基于斜波調(diào)制的光纖甲烷氣體濃度檢測方法，其特征是，包括以下步驟： (1) 使用斜波調(diào)制信號作為光源的驅(qū)動電流，并考慮光源的波長漂移，分別得到光源發(fā) 出的光信號波長和強度隨調(diào)制信號變化的關(guān)系； (2) 根據(jù)比爾-朗伯定律，并考慮光纖信號鏈路損耗和其他環(huán)境隨機噪聲對光強造成 的干擾，得到經(jīng)過甲烷氣體吸收后的光強信號I (t); (3) 對光強信號I (t)作微分處理，得到處理后的信號/(〇; (4) 對信號進(jìn)行模擬量采集得到數(shù)字量，并依據(jù)/(〇的變化情況判斷出光源波長 開始進(jìn)入甲烷氣體吸收譜線的時間At1和光源波長與吸收譜線中心波長完全相等的時間 點?。； (5) 對/>)作h時刻到12時刻范圍的積分； (6) 根據(jù)積分結(jié)果得到甲烷氣體的濃度。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種基于斜波調(diào)制的光纖甲烷氣體濃度檢測方法，其特征是， 所述步驟（1)中光源發(fā)出的光信號波長隨調(diào)制信號變化的關(guān)系具體為：
其中，λ ^表不光源發(fā)出的光信號起始波長；λ 1]]表不光信號波長的調(diào)制范圍；λ 11表不 光源的波長漂移；T表示調(diào)制周期；η為整數(shù)，η = 0, 1，2···。
3. 如權(quán)利要求2所述的一種基于斜波調(diào)制的光纖甲烷氣體濃度檢測方法，其特征是， 通過合理選擇波長調(diào)制范圍λπ，使其完全覆蓋甲烷氣體吸收譜線寬度和光源波長漂移之 和。
4. 如權(quán)利要求1所述的一種基于斜波調(diào)制的光纖甲烷氣體濃度檢測方法，其特征是， 所述步驟（1)中光源發(fā)出的光信號強度隨調(diào)制信號變化的關(guān)系具體為：
其中，Itl表示光源發(fā)出的光信號起始強度；I ">表示光信號強度的調(diào)制范圍；T表示調(diào)制 周期；η為整數(shù)，η = 0, 1，2···。
5. 如權(quán)利要求1所述的一種基于斜波調(diào)制的光纖甲烷氣體濃度檢測方法，其特征是， 所述步驟（2)中經(jīng)過甲烷氣體吸收后的光強信號I (t)具體為：
其中，In表示信號鏈路損耗和其他環(huán)境隨機噪聲對光強造成的衰減；I C1表示光源發(fā) 出的光信號起始強度；1">表示光信號強度的調(diào)制范圍；T表示調(diào)制周期；η為整數(shù)，η = 0，1，2··· ;α (λ(〇)為光波長等于λ(〇時的甲烷氣體吸收系數(shù)；C為甲烷氣體濃度；L為 甲烷氣體吸收路徑長度。
6. 如權(quán)利要求5所述的一種基于斜波調(diào)制的光纖甲烷氣體濃度檢測方法，其特征是， 由于甲烷氣體的吸收系數(shù)很小，滿足α (λ (t))CL<< 1，所以利用近似公式： e(-a(A(t))CL)^ !_α (λ (t))CL； 忽略高階小項，得到：
7. 如權(quán)利要求1所述的一種基于斜波調(diào)制的光纖甲烷氣體濃度檢測方法，其特征是， 經(jīng)過微分處理后的信號/⑴具體為：
其中，Itl表示光源發(fā)出的光信號起始強度；I ">表示光信號強度的調(diào)制范圍；T表示調(diào)制 周期；η為整數(shù)，η = 〇, 1，2··· ; 為光波長等于λ⑴時吸收系數(shù)的微分；C為甲烷氣 體濃度；L為甲烷氣體吸收路徑長度。
8. 如權(quán)利要求1所述的一種基于斜波調(diào)制的光纖甲烷氣體濃度檢測方法，其特征是， 所述步驟（5)中，對信號/⑴作h時刻到12時刻范圍的積分具體為：
其中，Itl表示光源發(fā)出的光信號起始強度；I ">表示光信號強度的調(diào)制范圍；T表示調(diào)制 周期；h為光源波長開始進(jìn)入甲烷氣體吸收譜線的時間點；t2為光源波長與吸收譜線中心 波長完全相等的時間點；η為整數(shù)，η = 0, 1，2··· ; α ( λ g)為光波長等于吸收譜線中心波長 λ g時的甲烷氣體吸收系數(shù)；C為甲烷氣體濃度；L為甲烷氣體吸收路徑長度。
9. 如權(quán)利要求1所述的一種基于斜波調(diào)制的光纖甲烷氣體濃度檢測方法，其特征是， 所述步驟(6)中甲烷氣體的濃度具體為：
其中，Itl表示光源發(fā)出的光信號起始強度；I ">表示光信號強度的調(diào)制范圍；T表示調(diào)制 周期；h為光源波長開始進(jìn)入甲烷氣體吸收譜線的時間點；t2為光源波長與吸收譜線中心 波長完全相等的時間點；η為整數(shù)，η = 0, 1，2··· ; α ( λ g)為光波長等于吸收譜線中心波長 λ g時的甲烷氣體吸收系數(shù)；L為甲烷氣體吸收路徑長度；I (t J為&時刻輸出光強；I (t 2) 為1：2時刻輸出光強。
10. -種采用權(quán)利要求1所述的基于斜波調(diào)制的光纖甲烷氣體濃度檢測方法的系統(tǒng)， 其特征是，包括：光源、驅(qū)動模塊、溫控模塊、耦合器、光信號鏈路、氣室、光電轉(zhuǎn)換器、微弱信 號放大模塊、微分模塊、信號調(diào)理模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊以及處理器； 所述溫控模塊、光源、耦合器、光電轉(zhuǎn)換器、微弱信號放大模塊、微分模塊依次連接；所 述耦合器通過光信號鏈路與氣室內(nèi)的光學(xué)探頭連接；所述微弱信號放大模塊和微分模塊分 別與信號調(diào)理模塊連接；所述信號調(diào)理模塊與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、處理器和驅(qū)動模塊依次連接； 所述驅(qū)動模塊與光源連接。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于斜波調(diào)制的光纖甲烷氣體濃度檢測方法及系統(tǒng)，包括：使用斜波調(diào)制信號作為光源的驅(qū)動電流，分別得到光源發(fā)出的光信號波長和強度隨調(diào)制信號變化的關(guān)系；根據(jù)比爾-朗伯定律，得到經(jīng)過甲烷氣體吸收后的光強信號；對光強信號作微分處理，得到處理后的信號；判斷出光源波長開始進(jìn)入甲烷氣體吸收譜線的時間點t1和光源波長與吸收譜線中心波長完全相等的時間點t2；對微分后的信號作t1時刻到t2時刻范圍的積分；得到甲烷氣體的濃度。本發(fā)明有益效果：在信號算法分析中僅涉及波長調(diào)制和微分解調(diào)，避免使用傅里葉變換、諧波分析等復(fù)雜算法，節(jié)省了信號處理時間，提高了檢測的響應(yīng)速度。
【IPC分類】G01N21-3504, G01N21-31
【公開號】CN104764702
【申請?zhí)枴緾N201510176366
【發(fā)明人】王忠民, 托馬斯·柯西卡, 崔洪亮, 周天水, 胡偉, 張延波, 王海旭, 曾祥豹, 郭林鑫, 徐文青
【申請人】山東金睛銳達(dá)電子科技有限公司
【公開日】2015年7月8日
【申請日】2015年4月14日